Uma equipe ofereceu uma maneira de resolverem uma crise na cosmologia para eventos de ondas gravitacionais através de sirenes escuras

Várias vistas ao longo do tempo de uma estrela variável Cefeida, uma espécie de farol cósmico que pode ser usado para medir a expansão do universo. Crédito da imagem: NASA, ESA e a equipe do Hubble Heritage (STScI / AURA

Nos últimos anos, os cosmologistas enfrentaram uma crise: o universo está se expandindo, mas ninguém pode concordar sobre a rapidez com que está se afastando de nós.

Isso por causa das diferentes maneiras de medirem a constante de Hubble, um parâmetro fundamental que descreve essa expansão, produziram resultados conflitantes. 

Mas uma única e afortunada observação do que são conhecidas como sirenes escuras - buracos negros ou estrelas de nêutrons cujas colisões podem ser detectadas por detectores de ondas gravitacionais na Terra, mas permanecem invisíveis aos telescópios comuns, poderia ajudar a resolver essa tensão. 

À medida que o cosmos se expande, as galáxias do universo se afastam da Terra a uma velocidade que depende de sua distância de nós. A relação entre velocidade e distância é chamada de constante de Hubble, em homenagem ao astrônomo americano Edwin Hubble, que calculou seu valor pela primeira vez na década de 1920.

Observando estrelas cintilantes conhecidas como Cefeidas no universo local, alguns pesquisadores produziram medições modernas e altamente precisas da constante de Hubble. Mas um método rival baseado em uma relíquia de luz de 380.000 anos após o Big Bang, conhecida como Radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), produz uma resposta completamente diferente, deixando os cosmologistas coçando a cabeça sobre o que está acontecendo.

"As ondas gravitacionais podem fornecer uma manipulação diferente da constante de Hubble", disse Ssohrab Borhanian, um físico da Universidade Estadual da Pensilvânia.

Quando objetos massivos como buracos negros ou estrelas de nêutrons se chocam, eles distorcem a estrutura do espaço-tempo, enviando ondas gravitacionais. Desde 2015, o Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser dos Estados Unidos (LIGO) e seu homólogo europeu Virgo têm escutado essas colisões massivas, que soam em seus detectores como sininhos. 

Dependendo da distância da Terra, esses eventos soarão mais altos ou mais silenciosos para o LIGO, permitindo aos cientistas calcular a que distância elas aconteceram. Em alguns casos, o barulho dessas entidades pesadas também resulta em um flash de luz que os astrônomos podem capturar em seus telescópios, codificando informações sobre a velocidade com que estão se afastando de nós.

Até agora, os pesquisadores observaram apenas um desses eventos com ondas gravitacionais e sinais de luz, um par de estrelas de nêutrons que os astrônomos observaram em 2017 nos detectores do LIGO e em outros telescópios. A partir disso, os físicos calcularam um valor para a constante de Hubble, embora as barras de erro na medição sejam grandes o suficiente para se sobreporem tanto aos resultados provenientes de estrelas cintilantes quanto aos da CMB, disse Borhanian. 

Trabalhos anteriores mostraram que cosmologistas precisariam ver cerca de 50 eventos como este, que são bastante raros, para obter um cálculo mais preciso da constante de Hubble, acrescentou. 

As sirenes escuras oferecem uma rota potencialmente mais rápida. Esses acidentes não estão associados a flashes de luz, que contêm as informações importantes sobre a velocidade. Esses eventos, que são invisíveis exceto por ondas gravitacionais, são os sinais mais comuns captados no LIGO e outras instalações de ondas gravitacionais.

Ao longo dos próximos cinco anos, os detectores do LIGO devem receber atualizações que os permitirão desvendar muitos mais detalhes de sinais de ondas gravitacionais e captar muito mais eventos, incluindo mais sirenes escuras. As instalações dos EUA e da Europa foram recentemente unidas pelo Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) no Japão, e um detector indiano deve estar online por volta de 2024. 

Um dia, a rede deverá ser capaz de localizar onde no céu o acidente de uma sirene escura aconteceu 40.000 vezes melhor do que os cientistas podem atualmente, disse Borhanian. Com essa informação, os astrônomos podem identificar uma galáxia no local exato onde o esmagamento ocorreu e então determinar a velocidade com que essa galáxia está se afastando da Terra. Não haverá necessidade de encontrar um flash de luz associado.

Borhanian e sua equipe mostraram que colisões entre objetos que são particularmente altos, pesados ou desiguais em massa, que eles chamam de sirenes escuras douradas, serão particularmente ricas em informações, produzindo dados que podem identificar uma colisão de ondas gravitacionais tão bem que podem calcular a constante de Hubble com alta precisão. 

"Podemos fazer isso com um único evento, em vez de 50", disse ele, e talvez seja o suficiente para influenciar a comunidade cosmológica para uma medição ou outra. Borhanian apresentará as descobertas de seu grupo na reunião de abril da American Physical Society em 18 de abril.

Como as sirenes escuras podem fornecer medições de distâncias excelentes apenas com base na física pura, elas são "extremamente exclusivas e extremamente limpas e atraentes", disse Maya Fishbach, astrônoma de ondas gravitacionais e membro da equipe LIGO da Northwestern University em Evanston, Illinois, que não estava associado ao trabalho. 

Os resultados do grupo sugerem que o LIGO e suas contrapartes em todo o mundo devem começar a ver muitos mais eventos bem localizados em um futuro próximo, disse ela. Mas é possível que outras medições possam resolver a crise sobre a constante de Hubble antes que as sirenes escuras o façam, disse Fishbach. 

Ainda assim, Fishbach está animada com o potencial do campo da cosmologia das ondas gravitacionais para responder a outras questões fundamentais no futuro, como a natureza e os detalhes da energia escura, a substância misteriosa que impulsiona uma expansão acelerada do universo.

Originalmente publicado na Live Science.